Peening de xoc làser: innovació de la tecnologia de reforç de superfícies des del laboratori fins al lloc industrial
Laser Shock Peening Technology, un procés innovador conegut com la "Revolució de l'enfortiment de la superfície del material", està remodelant tranquil·lament el paisatge de fabricació final alt -. Des de la primera visió de canviar la microestructura d’aliatge d’alumini al laboratori nord -americà fins a la pràctica industrial de Boeing 777 Blade Processing; Des del naixement de la primera línia de producció de pols contínues a la Xina fins a l’avanç del sistema de reforç del disc integral de la fulla, utilitza la ràfega instantània del plasma de tensió alta - per tallar un fatiga anti- “blindatge protector” de la superfície metàl·lica.
Quan el feix làser nanosegona xoca amb el metall, la vaporització i l’evaporació de la capa d’absorció d’energia és com una micro explosió, donant lloc a ones de xoc a l’alta pressió ultra {{0}, teixint una densa xarxa de tensió compressiva residual dins del material. La selecció de la capa de restricció és com adaptar -se - L’efecte final del vidre i l’adaptació industrial del flux d’aigua, la flexibilitat de la pintura negra però difícil d’eliminar, i la comoditat del paper d’alumini es converteix en la primera opció. En el camp de la simulació numèrica, l’entrellaç d’algoritmes explícits i implícits i la innovació del model intrínsec de soca estan fent que l’optimització del procés passi de “assaig i error” a “càlcul precís”.
Aquesta no és només l’evolució d’una tecnologia, sinó també una declaració de la indústria manufacturera per “desafiar el límit”: com pot suportar el "cor" d'un motor d'avió desenes de milers d'impactes? Com pot un reactor nuclear soldar -se dècades de pressió? Els implants biològics poden trobar un equilibri entre la duresa i la degradació? Laser Shock Peening està utilitzant la potència dels fotons per escriure respostes a aquests problemes difícils.
La tecnologia de Peening Laser Shock, també coneguda com Laser Shot Peening, és una nova tecnologia de modificació de superfície, eficaç i ràpida. En comparació amb la tecnologia tradicional de peening mecànica, pot formar una capa de tensió compressiva residual més profunda a la superfície de la peça i té una forta controlabilitat i una bona adaptabilitat i pot manejar les peces de mànec - a -. Actualment, aquesta tecnologia s’ha utilitzat àmpliament en la fatiga - fabricació resistent com ara fulles de motors d’avions, engranatges i soldadures de pressió de la central nuclear. Amb la disminució del preu dels equips làser, la tecnologia de Peening de xoc làser serà més àmpliament.
La tecnologia de Peening Laser Shock s’utilitza àmpliament en l’enginyeria.
El 1972, els Estats Units van utilitzar el làser de potència alta - de potència - Les ones de xoc induïdes per tractar els aliatges d'alumini de força alta - per primera vegada i van trobar que la seva microstructura de superfície va canviar i que la força de tensil va augmentar més del 30%, cosa que va obrir el pre -preludi a la investigació de xoc de làser. A finals de la dècada de 1980, països i regions com Europa, Japó i Israel han realitzat investigacions sobre la tecnologia Peening de xoc làser.
El 1995, la primera empresa de tecnologia de processament de xoc làser mundial va ser fundada als Estats Units. El 1997, General Motors va utilitzar la tecnologia de processament de xocs làser per processar fulles de ventiladors del motor d’avions, millorant molt la seva tolerància als danys d’objectes estrangers. El 2001, la American Laser Shock Processing Technology Company va realitzar un cop de xoc làser en més de 800 motors de rotllos - Royce. El 2004, la companyia va cooperar amb el Laboratori de la Força Aèria dels Estats Units per realitzar investigacions de reparació de Peening Laser Shot sobre fulles d'aliatge de titani del motor danyades a la F/A - 22, i la seva força de fatiga es va duplicar. El mateix any, els Estats Units van promulgar oficialment l’especificació de processament de xocs làser i la tecnologia es va aplicar al processament de les fulles de Boeing 777. El 2012, els Estats Units van desenvolupar amb èxit un equip de processament de xoc làser mòbil que pot entrar al lloc industrial per proporcionar serveis en temps real. El 2002, Toshiba Corporation of Japan va utilitzar petits làsers per processar soldadures com ara vaixells de pressió del reactor nuclear i juntes de canonades per millorar la vida de fatiga de les parts.
Els estudiosos estrangers també han utilitzat la tecnologia de processament de xocs làser per reforçar els metalls i aliatges biomèdics, millorar la duresa, la força de rendiment i la vida de fatiga dels implants permanents i reduir la taxa de degradació d’implants degradables com el calci - aliatges de magnesi.
La investigació domèstica sobre la tecnologia de processament de xocs làser va començar a la dècada de 1990, centrant -se principalment en una sèrie d’estudis experimentals i debats teòrics relacionats sobre aliatges i acers d’alumini. Des de 1992, la Universitat d’Aeronàutica i Astronautica de Nanjing ha col·laborat amb la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina per dur a terme investigacions sobre el reforç de xoc làser i la fabricació de resistència a la fatiga de peces estructurals de l’aviació. El 1995, el primer dispositiu d’enfortiment de xoc làser per a un experiment de xoc làser únic a la Xina es va desenvolupar amb èxit a la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina. El 2008, la Universitat Enginyeria de la Força Aèria, conjuntament amb Xi'an Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. i Beijing Leibao Optoelectronic Technology Co., Ltd., van desenvolupar amb èxit la primera línia de producció de cops de làser continu de pols continu del meu país. El 2011, el primer conjunt del sistema integral de reforç del sistema de fulla integral de la fulla integral es va desenvolupar amb èxit al Shenyang Institute of Automation, Academy of Sciences xinès i es va lliurar a Shenyang Liming Engine Co., Ltd. per utilitzar -lo.
Mecanisme i factors influents del xoc de xoc làser
When a laser beam with a power density greater than 10⁹W/cm² and a pulse width of nanoseconds irradiates the metal surface, the energy absorption layer absorbs the laser energy and undergoes explosive vaporization and evaporation, generating a high-temperature (>10⁷K) and high-pressure (>1gpa) capa de plasma. Peening de xoc làser utilitza la forta onada de xoc que es propaga al material causada per la càrrega d’impacte aplicada per la capa de plasma de pressió alta - a l’objectiu.
Els materials de capa restringits actualment utilitzats principalment inclouen el vidre òptic K9, el vidre orgànic i la capa de flux d’aigua. La capa restringida del material de vidre té el millor efecte, però té una mala adaptabilitat i es trencarà, que només és adequada per al tractament de xoc làser únic. Generalment, la capa de flux d’aigua s’utilitza com a capa restringida en proves de xoc làser i aplicacions industrials. Té els avantatges d’una forta aplicabilitat, de baix cost, funcionament fàcil i no cal substituir. Excepte un nombre reduït de processos de tractament de xoc làser que no utilitzen capes d’absorció d’energia, la majoria requereixen capes d’absorció d’energia. Les capes d’absorció d’energia d’ús comú són principalment materials amb calor de vaporització baixa com pintura negra, paper d’alumini i cinta negra. La pintura negra té una bona aplicabilitat i es pot utilitzar per al tractament de peening de xoc làser de les ranures, forats petits, etc., però no és fàcil eliminar un cop finalitzat el xoc, de manera que el paper d’alumini i la cinta negra s’utilitzen generalment com a capes d’absorció d’energia.
Hi ha molts factors que afecten l'efecte del peening de xoc làser, principalment propietats materials, capa de restricció, capa d'absorció d'energia, paràmetres de xoc làser, etc. Si la densitat de potència làser es manté sense canvis, més llarg és l'amplada del pols làser, més temps el temps que l'ona de xoc làser actua sobre el material i millor l'efecte de tractament del xoc làser. Tanmateix, si l’amplada del pols làser és massa gran, és molt fàcil provocar cremades superficials del material afectada. Només mitjançant la selecció de la capa de restricció raonable, la capa d’absorció d’energia i els paràmetres de xoc làser segons les propietats del material es pot aconseguir un millor efecte d’enfortiment.
La simulació numèrica de la simulació numèrica de xocs de xoc làser ajuda a obtenir els paràmetres de procés òptims per a aplicacions específiques i s’ha convertit gradualment en un mitjà important per estudiar el xoc de xoc làser. Els estudiosos nacionals i estrangers han fet moltes investigacions sobre la modelització i l’optimització del peening de xoc làser. Actualment, la indústria ha fet un gran progrés en l’anàlisi dinàmica explícita + l’anàlisi estàtica implícita del mètode de simulació numèrica de xoc làser i el mètode de simulació numèrica de xoc làser basat en la soca intrínseca.
Quan la capa de plasma de pressió alta - afecta el material objectiu, el material de l’àrea d’impacte experimenta una deformació de plàstic d’alta velocitat de tensió i la resposta estructural canvia molt ràpidament, que és un problema dinàmic d’alta velocitat altament no lineal -. Si l'algoritme d'elements finits implícit s'utilitza per solucionar aquest tipus de problemes, no només requereix una gran quantitat de càlcul i emmagatzematge, sinó que també té dificultats per a la convergència de càlcul. Cal utilitzar un mètode d’anàlisi d’elements finits explícits per resoldre l’ona d’estrès generada per l’impacte del plasma. En particular, l’ús integral de mètodes d’exploració i implícita d’elements finits per realitzar una simulació numèrica del procés de resposta dinàmica del material sota l’acció de l’ona de xoc és propici per obtenir resultats precisos de predicció del camp d’estrès residual.
Quan el single - punt de càlcul de càlcul i la superposició de càlcul de l'estrès residual de l'estrès residual làser s'utilitza per simular el xoc múltiple - sobre la superposició del làser en una àrea gran, la quantitat total de càlcul és sovint enorme i es necessita molt de temps per obtenir el camp d'estrès residual de l'exemplar. A més, a causa de la gran influència de la geometria de la peça en el camp d’estrès residual, és difícil simular amb precisió el camp d’estrès residual del multi - sobreposat a la superposició de cops làser de components reals amb superfícies corbes complexes mitjançant el mètode de superposició d’estrès.
Per solucionar eficaçment aquests dos problemes, alguns investigadors han establert un model numèric basat en la soca intrínseca per simular el camp d’estrès residual de l’enduriment de xoc làser. Aquest model suposa que la soca intrínseca formada per xoc làser a la superfície del component és insensible a la geometria del component. El procés de simulació només se centra en la soca de plàstic induïda pel xoc làser. El camp de soca de gran - àrea multi - El xoc làser del component s'obté mitjançant la superposició de soca intrínseca i s'utilitza un model termoelàstic per obtenir el camp d'estrès residual final i la deformació de plàstic.
En els darrers anys, els estudiosos rellevants a casa i a l'estranger han utilitzat aquest model per a la simulació numèrica dels camps de tensió residual dels xocs làser de l'enfortiment de diferents components complexos. L’eficiència computacional d’aquest model intrínsec de soca es millora molt en comparació amb el model tradicional, i el model establert pot predir eficaçment el camp d’estrès residual induït pel xoc làser.
